建筑技术丨严寒地区高速公路服务区超低能耗建筑技术探索研究

自2012年起，我国开展对被动式建筑的积极探索，先后建成了“在水一方”和“中德被动式低能耗建筑”，随着对被动式超低能耗技术的深入研究，逐步掌握了适用于中国建筑的被动式技术要领，中国式被动式超低能耗建筑蓬勃发展。目前在各类被动式建筑研究中，以住宅建筑和办公建筑居多。目前，我国交通运输行业飞速发展，作为综合运输体系的重要组成部分，高速公路是我国经济健康发展的重要保障，而服务区是高速公路的必要组成部分。相关研究表明，高速公路服务区由于距城市较远，可用的能源资源有限。交通运输行业能源消耗占总能源消耗的20%，相对于其他气候区，严寒地区的建筑在满足日常使用舒适性条件下的能耗远高于其他气候区。被动式建筑技术在严寒气候区的应用和推广具有深远的意义及经济、环境效益，因此在严寒地区的高速公路服务区中推行被动式技术具有无限潜力。王建军针对曲港某典型被动式超低能耗建筑服务区的外墙和屋面，采用FLUENT流体软件模拟其夏季及冬季内部热流密度变化，分析其传热性能，并与常规服务区围护结构进行比较，结果表明被动房的围护结构具有良好的隔热保温性能。田起军、齐彦宇等对适用于严寒地区的被动式超低能耗建筑技术和运行评价方法进行探索研究，结果表明在严寒地区应用被动式超低能耗技术有着广泛前景。本文选取延崇高速赤城服务区南区为研究对象，按被动式建筑技术进行设计，采用DB软件模拟其能耗，并与常规建筑进行比对，分析其节能潜力。1、工程概况本工程为延庆至崇礼高速公路河北段工程沿线设施——赤城服务区南区，位于河北省张家口赤城，按GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》标准划分属严寒地区。该建筑地上3层，建筑面积3 896.05 ㎡，供暖面积3 896.05 ㎡，建筑总高15.15 m，是集超市、卫生间、客房、餐厅和厨房于一体的综合型高速公路服务用房。本项目依据河北省现行DB13(J)T273—2018《被动式低能耗设计标准》进行设计。2、主要技术措施本工程采用被动式超低能耗技术，结合太阳能光伏系统，利用峰谷电价，以求取代传统能源形式，主要技术措施如下。2.1高效保温围护结构建筑外围护结构是整个建筑设计的重要部分之一，研究表明严寒地区建筑通过外墙散热量约占建筑散热总量的30%，因此提升外墙的保温隔热性能对整个建筑的节能降耗意义重大。与墙体结构相比，门窗是整个建筑节能最薄弱的部位，外门窗面积一般占整个外围护结构的20%，在严寒地区整个建筑能耗中，通过门传传递及冷风渗透耗热量产生的热损失约占全部建筑能耗的40%~50%。本工程外门及外窗采用多腔塑料型材中空、真空玻璃，气密性为8级，水密性为3级，设遮阳卷帘遮阳系数0.4。本工程外墙、屋面、地面、门窗等的热工性能见表1。表1围护结构做法2.2无热桥节点设计热桥不仅是外围护结构热损失的主要源头，更是使建筑长菌发霉的关键所在。本项目热桥节点设计如图1所示。（a）

（b）（c）

（d）（e）

（f）图1墙身节点保温做法（a）外墙保温做法；（b）外墙阳角保温；（c）外墙阴角保温；（d）女儿墙保温；（e）通风管道穿墙保温；（f）首层隔墙与楼板交接处保温2.3带热回收的新风系统餐厅、会议室、超市、特色小卖、钟点房、客房、办公室、卫生间采用热回收型新风换气机通风换气。新风换气机前设点预热段，将新风预热至–5℃后进行热回收，显热回收效率不小于75%，除卫生间外其他房间过渡季采用自然通风。2.4冷热源系统采用蓄热电锅炉供暖，在夜间低谷电时段开启电锅炉进行供暖并蓄热，平段时间依靠蓄热供暖；同时采用太阳能光伏发电系统，为建筑提供一定的清洁能源。2.5可再生能源系统为实现被动式建筑理念并降低能源消耗，被动式建住能源系统常采用太阳能、地热能、风能、水能、生物质能等可再生能源。本项目所处张家口地区虽建有大量风力发电系统，但本工程位置较偏远无法直接采用风力发电，故引入太阳能光伏发电系统。在停车场处设有2 223 MW光伏发电板，能提供电量3 456 MW供本项目使用。3、能耗模拟能耗模拟采用DesignBuilder软件，以整个服务区CAD图纸搭建建筑能耗模型，采用energyplus的计算程序模拟建筑物的能耗，通过设定围护结构、照明、人员、设备等一系列参数，进行全年8 460 h能耗模拟计算，最终可按年、月、日、小时及更小的时间单位输出建筑能耗、室内空气温度、舒适度、通过建筑围护结构的热量、热负荷和二氧化碳排放量等结果。3.1围护结构参数设置赤城服务区被动式围护结构设计按DB13（J）T

273—2018《被动式公共建筑设计标准》的要求进行设计，具体参数见表1。3.2DB计算模型根据赤城服务区建筑CAD图纸，分楼层绘制DesignBuilder建筑模型，再选取同一基点将各层叠在一起，构建赤城服务区能耗分析模型（图2）。图2赤城服务区能耗分析模型3.3室内参数设计3.3.1室内计算参数本工程室内参数设计满足DB13（J）T273—2018《被动式超低能耗建筑设计标准》，具体参数见表2。表2室内计算参数3.3.2作息模式建筑供暖系统运行时间、室内温度、照明功率密度值及开关时间、房间人均占有的使用面积及在室率、人员新风量及新风机组运行时间表、电气设备功率密度及使用率主要参照GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》附录B进行设计。据相关研究表明，高速公路服务区人员流动量较大，其中餐厅和超市与常规公共建筑人员作息存在明显差异，其他功能房间如客房、办公室的人员作息差异较小，由清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所开发的DeST建筑能耗模拟软件内置了丰富的建筑类型人员、照明、设备作息模式，本工程在该软件内置作息设置的基础上结合高速公路服务区特点进行调整，作息模式设置如图3~图5所示。（a）

（b）（c）

（d）图3照明时间表（计算机截图）（a）餐厅时间表；（b）客房时间表；（c）超市时间表；（d）卫生间时间表（a）

（b）图4供暖和通风时间表（计算机截图）（a）供暖、新风时间表；（b）厨房机械排风时间表（a）

（b）图5其他设备时间表（计算机截图）（a）客房设备时间表；（b）厨房设备时间表3.4模拟结果分析能耗模拟结果如图6所示，全年总建筑能耗为425 682.30 kWh，单位面积能耗为124.97 kWh/㎡。其中供暖、照明和新风能耗为414 213.9 kWh。图6赤城服务区能耗模拟结果（计算机截图）3.5相对节能率计算评价公共建筑是否满足被动式超低能耗建筑设计要求，还需评价其相对节能率，应按以下公式计算：η=（E0–E）/E0式中：η为相对节能率；E0为参照建筑在规定条件下的全年供暖、供冷和照明能耗；E为设计建筑在规定条件的全年供暖、供冷和照明能耗。其中参照建筑是符合河北省DB13（J）81—2016《公共建筑节能设计标准》要求的作为计算全年供暖、供冷和照明能耗用的基准建筑。参照建筑的形状、大小、朝向及内部的空间划分和使用功能应与设计建筑基本一致；参照建筑的围护结构热工性能、外窗（包括透光幕墙）太阳得热系数限值、遮阳、冷热源、空调系统、新风系统、自然通风、照明等符合DB23/T2277—2018《被动式低能耗居住建筑设计标准》中表3.0.4的规定（表3）。表3参照建筑热工性能及系统形式经计算，参照建筑供暖、照明和通风能耗为951747.21kWh，本工程相对节能率为56.48%，符合《被动式超低能耗建筑设计标准》对公共建筑能耗的要求，即为被动式超低能耗建筑。4、结论（1）严寒地区高速公路服务区类建筑节能潜力很大，可通过引入被动式超低能耗建筑技术，采用高性能围护结构、无热桥节点设计、高气密性、高效供暖设备和热回收新风装置，以解决严寒地区该类建筑能耗高的问题。（2）本文应用De